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            Prayer

            在一般中尋求卓越
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            堆棧的作用是什么?試說明工作原理。

            Posted on 2009-08-17 13:34 Prayer 閱讀(1101) 評論(0)  編輯 收藏 引用 所屬分類: C/C++
            在計算機領(lǐng)域,堆棧是一個不容忽視的概念,但是很多人甚至是計算機專業(yè)的人也沒有明確堆棧其實是兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
              堆棧都是一種數(shù)據(jù)項按序排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),只能在一端(稱為棧頂(top))對數(shù)據(jù)項進行插入和刪除。
              要點:
              堆:順序隨意
              棧:后進先出(Last-In/First-Out)
            編輯本段堆和棧的區(qū)別
              一、預(yù)備知識—程序的內(nèi)存分配
              一個由c/C++編譯的程序占用的內(nèi)存分為以下幾個部分
              1、棧區(qū)(stack)— 由編譯器自動分配釋放 ,存放函數(shù)的參數(shù)值,局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。
              2、堆區(qū)(heap) — 一般由程序員分配釋放, 若程序員不釋放,程序結(jié)束時可能由OS回收 。注意它與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆是兩回事,分配方式倒是類似于鏈表。
              3、全局區(qū)(靜態(tài)區(qū))(static)—,全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的,初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域, 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域。 - 程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。
              4、文字常量區(qū) —常量字符串就是放在這里的。 程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放 。
              5、程序代碼區(qū)—存放函數(shù)體的二進制代碼。
              二、例子程序
              這是一個前輩寫的,非常詳細
              //main.cpp
              int a = 0; 全局初始化區(qū)
              char *p1; 全局未初始化區(qū)
              main()
              {
              int b; 棧
              char s[] = "abc"; 棧
              char *p2; 棧
              char *p3 = "123456"; 123456\0在常量區(qū),p3在棧上。
              static int c =0; 全局(靜態(tài))初始化區(qū)
              p1 = (char *)malloc(10);
              p2 = (char *)malloc(20);
              }
              分配得來得10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)。
              strcpy(p1, "123456"); 123456\0放在常量區(qū),編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優(yōu)化成一個地方。
            編輯本段堆和棧的理論知識
              1.申請方式
             
              stack:
              由系統(tǒng)自動分配。 例如,聲明在函數(shù)中一個局部變量 int b; 系統(tǒng)自動在棧中為b開辟空間
              heap:
              需要程序員自己申請,并指明大小,在c中malloc函數(shù)
              如p1 = (char *)malloc(10);
              在C++中用new運算符
              如p2 = new char[20];//(char *)malloc(10);
              但是注意p1、p2本身是在棧中的。
              2.申請后系統(tǒng)的響應(yīng)
              棧:只要棧的剩余空間大于所申請空間,系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存,否則將報異常提示棧溢出。
              堆:首先應(yīng)該知道操作系統(tǒng)有一個記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表,當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請時,會遍歷該鏈表,尋找第一個空間大于所申請空間的堆結(jié)點,然后將該結(jié)點從空閑結(jié)點鏈表中刪除,并將該結(jié)點的空間分配給程序,另外,對于大多數(shù)系統(tǒng),會在這塊內(nèi)存空間中的首地址處記錄本次分配的大小,這樣,代碼中的delete語句才能正確的釋放本內(nèi)存空間。另外,由于找到的堆結(jié)點的大小不一定正好等于申請的大小,系統(tǒng)會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。
              3.申請大小的限制
              棧:在Windows下,棧是向低地址擴展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),是一塊連續(xù)的內(nèi)存的區(qū)域。這句話的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅5淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的,在 WINDOWS下,棧的大小是2M(也有的說是1M,總之是一個編譯時就確定的常數(shù)),如果申請的空間超過棧的剩余空間時,將提示overflow。因此,能從棧獲得的空間較小。
              堆:堆是向高地址擴展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來存儲的空閑內(nèi)存地址的,自然是不連續(xù)的,而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計算機系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見,堆獲得的空間比較靈活,也比較大。
              4.申請效率的比較
              棧由系統(tǒng)自動分配,速度較快。但程序員是無法控制的。
              堆是由new分配的內(nèi)存,一般速度比較慢,而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片,不過用起來最方便.
              另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配內(nèi)存,他不是在堆,也不是在棧,而是直接在進程的地址空間中保留一快內(nèi)存,雖然用起來最不方便。但是速度快,也最靈活
              5.堆和棧中的存儲內(nèi)容
              棧: 在函數(shù)調(diào)用時,第一個進棧的是主函數(shù)中函數(shù)調(diào)用后的下一條指令(函數(shù)調(diào)用語句的下一條可執(zhí)行語句)的地址,然后是函數(shù)的各個參數(shù),在大多數(shù)的C編譯器中,參數(shù)是由右往左入棧的,然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。
              當(dāng)本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后,局部變量先出棧,然后是參數(shù),最后棧頂指針指向最開始存的地址,也就是主函數(shù)中的下一條指令,程序由該點繼續(xù)運行。
              堆:一般是在堆的頭部用一個字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容有程序員安排。
              6.存取效率的比較
             
              char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
              char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
              aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的;
              而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的;
              但是,在以后的存取中,在棧上的數(shù)組比指針?biāo)赶虻淖址?例如堆)快。
              比如:
              #include
              void main()
              {
              char a = 1;
              char c[] = "1234567890";
              char *p ="1234567890";
              a = c[1];
              a = p[1];
              return;
              }
              對應(yīng)的匯編代碼
              10: a = c[1];
              00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
              0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl
              11: a = p[1];
              0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]
              00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]
              00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al
              第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中,而第二種則要先把指針值讀到edx中,在根據(jù)edx讀取字符,顯然慢了。
              7.小結(jié):
              堆和棧的區(qū)別可以用如下的比喻來看出:
              使用棧就象我們?nèi)ワ堭^里吃飯,只管點菜(發(fā)出申請)、付錢、和吃(使用),吃飽了就走,不必理會切菜、洗菜等準(zhǔn)備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作,他的好處是快捷,但是自由度小。
              使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴,比較麻煩,但是比較符合自己的口味,而且自由度大。
            編輯本段堆和棧的區(qū)別主要分:
              操作系統(tǒng)方面的堆和棧,如上面說的那些,不多說了。
              還有就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面的堆和棧,這些都是不同的概念。這里的堆實際上指的就是(滿足堆性質(zhì)的)優(yōu)先隊列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),第1個元素有最高的優(yōu)先權(quán);棧實際上就是滿足先進后出的性質(zhì)的數(shù)學(xué)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
              雖然堆棧,堆棧的說法是連起來叫,但是他們還是有很大區(qū)別的,連著叫只是由于歷史的原因。
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